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大规模阵列SPAD淬灭电路的创新设计与性能优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在科技飞速发展的当下，光电技术在众多领域的应用愈发广泛和深入。单光子雪崩二极管（SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD）作为一种关键的光电探测器件，凭借其卓越的性能，在现代应用中吸引了大量关注。SPAD的工作原理基于光电效应与反向偏压下的雪崩效应，这使其能够实现高速、高精度的光子计数和探测。在激光雷达领域，禾赛科技的第四代芯片架构平台将于2025年全面量产，其接收端采用SPAD面阵探测器，测距能力可达30米@10%反射率，点频可达49.2万点每秒，充分展现了SPAD技术在提升激光雷达性能方面的显著优势；在量子通信中，SPAD对单个光子的高灵敏度探测能力，能够有效保障量子信号的准确传输和接收，为实现安全可靠的量子通信提供了关键支撑；在荧光光谱分析里，SPAD可以精确探测微弱的荧光信号，帮助科研人员获取更准确的物质结构和成分信息。

然而，SPAD技术也存在一定的局限性，其中淬灭现象是限制其性能进一步提升的关键因素之一。当SPAD被光子触发进入雪崩状态后，如果没有有效的淬灭措施，二极管会长时间处于大电流状态，这不仅容易烧毁器件，使其无法进行下一次探测，还会导致死区时间延长，限制了SPAD在高速成像等领域的应用。例如，在高速动态场景的成像中，由于SPAD的淬灭时间常量约为几十纳秒，在这段时间内无法对新的光子进行有效探测，从而导致成像信息的丢失，影响成像的准确性和完整性。

为了解决上述问题，淬灭电路应运而生。淬灭电路作为保护SPAD的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到SPAD的稳定性和可靠性。通过合理设计淬灭电路，可以快速抑制雪崩电流，使SPAD迅速恢复到初始状态，为下一次探测做好准备，从而有效提高SPAD的工作效率和性能。目前，常见的淬灭电路主要有被动淬灭电路、主动淬灭电路以及门控淬灭电路等。被动淬灭电路结构相对简单，主要通过与SPAD串联的大电阻实现淬灭功能，但这种方式存在版图占用面积过大、恢复时间较长等问题；主动淬灭电路在被动淬灭电路的基础上增加了反馈回路和控制开关，能够实现雪崩电流的主动淬灭，复位时间明显降低，但电路结构较为复杂；门控淬灭电路则通过特定的门控信号来控制SPAD的工作状态，在某些应用场景中具有独特的优势，但也存在一定的局限性。

随着对SPAD成像技术需求的不断增加，大规模阵列SPAD的应用越来越广泛。然而，大规模阵列的使用带来了诸如寄生效应、功耗增加、面积增大等一系列新问题，这些问题严重影响了成像质量，使得大规模阵列SPAD淬灭电路的设计面临巨大挑战。因此，深入研究大规模阵列SPAD淬灭电路，进一步提高其抗淬灭能力，成为当前SPAD技术领域的研究热点。

对大规模阵列SPAD淬灭电路的研究具有极其重要的意义。从学术研究角度来看，它有助于深入理解SPAD的工作原理和性能特点，为光电子技术中单光子探测与成像的理论研究提供新的思路和方法，推动该领域的学术发展。从实际应用层面出发，提高SPAD的抗淬灭能力能够显著提升SPAD成像技术的应用范围和成像效果。在自动驾驶领域，更高效的淬灭电路可以使激光雷达中的SPAD探测器更快速地响应周围环境的变化，提高对障碍物的检测精度和及时性，从而增强自动驾驶系统的安全性和可靠性；在生物医疗领域，如荧光寿命成像中，优化后的淬灭电路能够帮助SPAD更准确地捕捉荧光信号，为疾病的诊断和治疗提供更精确的依据；在安防监控领域，大规模阵列SPAD配合高性能淬灭电路可以实现更清晰、更快速的成像，提高对监控区域的监测能力。研究大规模阵列SPAD淬灭电路设计与优化方法，为SPAD技术的应用和发展提供了坚实的技术支撑，具有重要的现实意义和应用价值。

1.2国内外研究现状

在单光子雪崩二极管（SPAD）淬灭电路设计领域，国内外科研人员已开展了大量深入且富有成效的研究工作，取得了一系列具有重要价值的成果，同时也面临着一些亟待解决的问题。

国外在SPAD淬灭电路设计方面起步较早，处于领先地位。早在20世纪90年代，就有研究人员开始探索SPAD的淬灭机制，并提出了一些简单的淬灭电路结构。近年来，随着科技的迅猛发展，国外在该领域的研究不断取得新的突破。美国麻省理工学院的科研团队通过对SPAD工作原理的深入研究，提出了一种基于自适应反馈控制的主动淬灭电路设计方案。该方案利用高速反馈电路实时监测SPAD的雪崩电流，当检测到雪崩电流超过设定阈值时，迅速调整控制信号，使SPAD快速恢复到初始状态。实验结果表明，这种电路能够将SPAD的死区时间缩短至原来的